關于遠離平衡態流體的研究獲進展

遠離平衡態的系統往往會展示出豐富有趣的現象。關于遠離平衡態系統的研究涉及到各種各樣的領域，從超冷氣體到重離子碰撞，從湍流到凝聚態體系中的各種淬火動力學過程等等。流體力學是多體體系在時間和空間尺度足夠大時普適的有效描述，那么遠離平衡態的流體會存在某些普適性質嗎？最近來自中科院理論物理研究所和上海交通大學的研究者們發現這種普適性質可能是存在的。

流體力學是一門歷史非常久遠的學科，最早可以追溯到2000多年前阿基米德的著作《論浮體》。平衡態附近流體的動力學可以被流體力學非常好的描述。近期的研究發現在平衡態附近的強耦合流體會展現出很多普適的性質，最著名的就是剪切粘度和熵密度的比值會存在一個普適性的最小值，由光速、普朗克常數等一些基本常數給出，通常被稱為Kovtun-Son-Starinets(KSS)下限。有趣的是，KSS下限最初是由全息對偶計算得到的。全息對偶來是引力全息性質的具體實現，它可以把難以處理的低維時空的物理問題映射到易處理的高維的引力系統，尤其是黑洞，反之亦然。作為一個強有力的工具，全息對偶近些年得到了廣泛的應用。

考慮剪切形變將黑洞推至遠離平衡態，通過數值模擬黑洞的實時動力學演化，可以發現其對應的強耦合流體在遠離平衡態的時候仍然具備一些普適性質，這在某種程度上說明流體力學在超出一般的適用范圍時仍然具有“難以置信的有效性”。研究結果表明，即使存在外源驅動使得強耦合流體遠離了平衡態，它的粘度和熵密度的比值最終仍然會趨于一個常數。這一性質和剪切的形式是完全無關的，并且和有沒有共形對稱性也沒有關系。此外，當剪切率和特征能量標度相比較小的時候，末態的剪切粘度和熵密度的比值和平衡態附近的流體力學給出的結果一致，這說明存在一個遠離平衡態的流體力學吸引子。而當剪切率足夠大(與特征能量標度相比)的情況下，這個常數會比近平衡態情況下給出的結果（KSS下限）要小一些，這展示出了一種新的現象。以上結果揭示遠離平衡態的強耦合流體行為中可能存在一種普適性的機制，這可能會對很多系統的動力學，比如夸克膠子等離子體和復雜流體等產生重要影響，這些理論預言也可能在未來的實驗中被觀察到。